DE102004037378B4

DE102004037378B4 - Verfahren und Einrichtung zur Leistungsregelung von permanent erregten elektrischen Synchronmaschinen

Info

Publication number: DE102004037378B4
Application number: DE102004037378A
Authority: DE
Inventors: Günter GEIL
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2004-08-02
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2024-08-03
Also published as: DE102004037378A1; ES2309661T3; ATE408265T1; EP1648082A1; DE502005005314D1; EP1648082B1

Abstract

Verfahren zur Leistungsregelung einer permanent erregten elektrischen Schiffsantriebsmaschine mit vorgebbarer Drehzahl, in der durch einen Maschinenstrom und einen durch Permanentmagnete erzeugten magnetischen Fluss ein Drehmoment erzeugt wird, das von der Stärke des magnetischen Flusses und der Größe des Maschinenstroms sowie einer Maschinenkonstante abhängt, wobei der Maschinenstrom und die Drehzahl der Maschine geregelt werden und wobei zur Berücksichtigung der gegebenen Temperaturabhängigkeit des von den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Flusses zur Verbesserung der Leistungsregelung ein spezifischer Drehmomentausgleichswert verwendet wird, wobei der spezifische Drehmomentausgleichswert aus dem Maschinenstrom-Soll-Wert, der elektrischen Leistung, dem Wirkungsgrad und der Drehzahl als Hauptgrößen fortlaufend durch Rechentechnik ermittelt wird und wobei über den Drehmomentausgleichswert ein innerer und ein äußerer Drehzahlregelkreis in einer Regeleinrichtung für die elektrische Maschine miteinander verknüpft werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Leistungsregelung von permanent erregten elektrischen Synchronmaschinen mit vorgebbarer Drehzahl, in denen durch einen Maschinenstrom und einen durch Permanentmagnete erzeugten magnetischen Fluss ein Drehmoment erzeugt wird, das von der Stärke des magnetischen Flusses und der Größe des Maschinenstroms sowie einer Maschinenkonstante abhängt, wobei der Maschinenstrom und die Drehzahl der Maschine geregelt werden.
Bei einer elektrischen Maschine gibt es zwischen dem Strom, dem magnetischen Fluss und dem Drehmoment den bekannten Zusammenhang: c × Is × Φ = M.
Darin bedeuten:

c: = eine Maschinenkonstante,
Is: = der Maschinenstrom,
Φ: = der Maschinenfluss und
M: = das Drehmoment.

Bei elektrisch erregten Synchronmaschinen kann eine Regelung über den Erregerstrom in Feldspulen der Maschine den magnetischen Fluss in der Maschine regeln. Mit solch einer Regelung ist der magnetische Fluss in der Maschine bekannt. Bei Vorgabe eines bestimmten Maschinenstromes ist als Folge das sich in der Maschine einstellende Drehmoment bekannt. Permanent erregte Synchronmaschinen haben dagegen auf dem Polrad keine Feldspulen, über die der magnetische Fluss in der Maschine geregelt werden könnte. Der magnetische Fluss in der Maschine wird im wesentlichen über die Permanentmagnete erzeugt und das magnetische Verhalten der Permanentmagnete ist temperaturabhängig. Der magnetische Fluss in der Maschine ist daher auch von der Temperatur der Magnete abhängig. Bei Vorgabe ei nes bestimmten Maschinenstromes ist das in der Maschine sich einstellende Drehmoment also auch abhängig von der Temperatur der Magnete und die permanent erregte Synchronmaschine kann über den Maschinenstrom nicht mehr genau drehmomentgeregelt werden. Wenn die permanent erregte Synchronmaschine über den Maschinenstrom nicht mehr genau drehmomentgeregelt gefahren werden kann, kann diese Maschine aber auch nicht über den Maschinenstrom und die Maschinendrehzahl leistungsgeregelt gefahren werden. Eine genaue Leistungsregelung ist aber für viele Anwendungen erforderlich, insbesondere für die Anwendung der permanent erregten Synchronmaschine als Schiffsantriebsmaschine.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Regelverfahren und eine Regeleinrichtung anzugeben, mit denen trotz der vorstehend beschriebenen Zusammenhänge eine genaue Leistungsregelung von permanent erregten elektrischen Synchronmaschinen, insbesondere von Schiffsantriebsmaschinen, insbesondere in der Form von elektrischen Ruderpropellern, möglich ist.

Aus dem allgemeinen Stand der Regelungstechnik von elektrischen Maschinen ist es bekannt, den Maschinenfluss über Hall-Sonden zu erfassen. Ein mit Hall-Sonden oder anderen Messaufnehmern gemessener Maschinenfluss kann zusammen mit dem Maschinenstrom für eine Drehmoment- und damit für eine Leistungsregelung genutzt werden. Auch die direkte Messung des Drehmoments, z.B. über Torsionswellen, ist bekannt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Messsysteme sind jedoch sehr aufwendig oder nicht langzeitstabil. Darüber hinaus sind sie empfindlich und daher für große Schiffsantriebsmaschinen, die zuverlässig lange Jahre ihren Dienst tun müssen, weniger geeignet.

Es ist weiterhin eine Regelung über sogenannte Maschinenmodelle bekannt, bei denen aus der gemessenen Maschinenspannung, dem gemessenen Maschinenstrom und einer Reihe von Maschinenparametern der Maschinenfluss ermittelt und einer Um richterregelung aufgegeben wird. Die Praxis hat aber gezeigt, dass diese Art von Maschinenflussermittlung zu unspezifisch für die Erfassung des Drehmomentes in der Maschine ist, um den Anforderungen für Schiffsantriebsmaschinen, bei denen es auf eine genaue Einstellung der Wirkleistung ankommt, gerecht zu werden.

Insbesondere die Temperaturabhängigkeit der Permanentmagnete kann über Maschinenmodelle nur unzureichend genau geregelt werden.

Auch die aus der DE 196 36 784 A1 bekannte Lösung, dass ein Magnetflussrichtungsstromkorrekturwert auf Grundlage des Betrags des Spannungsvektors von einer Polarkoordinaten-Wandlereinheit und dem spezifizierten Spannungsvektorbetrag ermittelt wird und zur Korrektur dient, kann die gewünschte Temperaturabhängigkeit der Permanentmagnete nicht ausgleichen. Dies ist auch der Fall, wenn die aus der DE 100 40 112 A1 bekannte Lösung zur Bestimmung eines Drehmoments einer elektrischen Maschine angewendet wird, wobei von einer Recheneinheit das Drehmoment der elektrischen Maschine als Funktion aus einer aktuellen elektrischen Leistung, einer aktuellen Drehzahl und einem aktuellen Wirkungsgrad ermittelt wird. Der Wirkungsgrad wird dabei einem Kennfeld entnommen und dies setzt voraus, dass ein derartiges Kennfeld für die elektrische Maschine vorliegt. Derartige Kennfelder können jedoch für elektrische Schiffsantriebsmaschinen der erfindungsgemäßen Größe nur individuell für jede Maschine ermittelt werden und verändern sich im Laufe der Zeit. Es musste daher die erfindungsgemäße Lösung erarbeitet werden.

Die Aufgabe der genauen Leistungsregelung von permanent erregten elektrischen Synchronmaschinen wird dadurch gelöst, dass zur Berücksichtigung der gegebenen Temperaturabhängigkeit des von den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Flusses zur Verbesserung der Leistungsregelung ein spezifi spezifischer Drehmomentausgleichswert verwendet wird. So ergibt sich eine Softwarelösung, die insbesondere für große Schiffsantriebsmaschinen besonders geeignet ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass eine Zugänglichkeit der großen Schiffsantriebsmaschinen nicht mehr gegeben sein muss, z.B. um Drehmomentmessgeräte oder Maschinenflussmessgeräte nachjustieren oder reparieren zu können. Vorteilhaft ergibt sich also eine Lösung, die robust und langzeitstabil und damit schiffsgerecht ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ist insbesondere für die Antriebsmaschinen von elektrischen Ruderpropellern mit Permanenterregung vorteilhaft, da hier eine genaue Einstellung der Antriebsleistung der mit den Ruderpropellern ausgerüsteten Schiffe nicht möglich ist. Man ist also darauf angewiesen, derartige Antriebsmaschinen größer zu dimensionieren als es an und für sich notwendig wäre, da bisher kein genaues Verfahren und eine entsprechende Einrichtung zur genauen Leistungsregelung zur Verfügung stand. Diese Überdimensionierung soll vermieden werden können.

Es ist vorgesehen, dass in einer Regeleinrichtung der elektrischen Maschine mit Regelkreisen über den Drehmomentausgleichswert ein innerer und äußerer Drehzahlregelkreis miteinander verknüpft werden. Derart ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit einer regeltechnischen Lösung für die notwendige Verknüpfung der verwendeten Softwareregler darüber, dass die Begrenzung des Drehmomenten- oder des Leistungssollwertes über den spezifischen Drehmomentausgleichswert unverzögert mit dem Maschinenstromsollwert verbunden werden kann, der momentbildend dem Drehmomentsollwert entspricht. Innerhalb der Regeleinrichtung ergibt sich damit die Beziehung c × Is × (ST × Φ) = M.

Darin bedeuten:

c: = die Maschinenkonstante,
Is: = der Maschinenstrom,
ST: = der Drehmomentausgleichswert,
Φ: = der Maschinenfluss und
M: = das entstehende Drehmoment.

Der Drehmomentausgleichswert wird vorteilhaft aus Sicherheitsgründen auf den betriebsüblichen Wertebereich begrenzt. Weiterhin wird seine Eingabe geglättet, damit dynamische Vorgänge bei den Signalen für die Erfassung des spezifischen Drehmomentes sich nicht auf die Drehzahlregelung auswirken können. Bei großen, permanent erregten Synchronmaschinen, wie sie Schiffsantriebsmaschinen darstellen, liegt die Zeitkonstante für die Magnettemperatur im Bereich von 20 Minuten und länger. Als einfachste Glättungsfunktion bietet sich vorteilhaft die PT1-Funktion mit 2 Minuten Glättungszeitkonstante an. Die störenden dynamischen Vorgänge. elektrischen oder mechanischen Ursprungs bei den Signalen für die Erfassung des spezifischen Drehmomentes sind damit ausreichend geglättet, während das von dem Temperaturverlauf der Permanentmagnete abhängige spezifische Drehmoment kaum beeinflusst wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der spezifische Drehmomentausgleichswert aus dem Maschinenstromsollwert, der elektrischen Leistung, dem Wirkungsgrad und der Drehzahl als Hauptgrößen ermittelt wird. Der Maschinenstrom, die elektrische Leistung und die Drehzahl können genau gemessen werden, z.B. in einem Stromrichter zur Speisung der Maschine oder durch einen Winkelschrittgeber. So ergibt sich vorteilhaft die Möglichkeit einer genauen Ermittlung des Drehmomentausgleichswerts durch übliche Messungen.

In einer weiteren, alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Maschinendrehmoment durch weitere gemessene Größen, z.B. einen Drehmomentistwert oder den Maschinenflussistwert, aber auch durch die Magnettemperatur geführt wird. So kann vorteilhaft die Genauigkeit der Vorgabe unter Berücksichtigung von weiteren wichtigen Größen der Maschine erhöht werden.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Durchführung des Verfahrens die Einrichtung zur Leistungsregelung der permanent erregten Synchronmaschine einen inneren und einen äußeren Drehzahlregelkreis aus Softwarebausteinen aufweist, die über einen einstellbaren Drehmomentausgleichswert miteinander verbunden sind. So ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft durchführbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft vorgesehen, dass der einstellbare Drehmomentausgleichswert nach vorgegebenen Maschinen- und Verwendungsparametern einstellbar ist, z.B. entsprechend der gewünscht Wirkleistung. So kann für Schiffe, für die die Wirkleistung an der Propellerwelle ein entscheidendes Abnahmekriterium ist, die optimale Maschinenleistung eingestellt werden.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Drehmoment der Maschine mittels gemessener Größen, wie Maschinenflussistwert und gegebenenfalls Magnet temperatur, einstellbar ist. So kann die Optimierung der Regelung gegebenenfalls noch verbessert werden, ohne dass empfindliche Sensoren, wie Torsionsmesswellen, eingesetzt werden müssen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung einen inneren Regelkreis mit einem Drehzahlregler mit den Regelgrößen Drehzahlsollwert vor Hochlaufgeber, Drehzahlsollwert nach Hochlaufgeber, Drehzahlistwert und Maschinenstromsollwert aufweist. So ist ein erfindungsgemäßer innerer Regelkreis bildbar, wobei Hochlaufgeber prinzipiell bekannt sind, z.B. aus der DE 100 11 601 C2 . Durch die Benutzung eines derartigen Hochlaufgebers kann auf die Verhältnisse des jeweiligen Schiffsantriebs eingegangen werden. Die Parametrierung des Hochlaufgebers geschieht dabei vorteilhaft während der Inbetriebsetzungsphase.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung einen äußeren Regelkreis mit den Regelgrößen Drehzahlistwert, Begrenzung der Maschinenwirkleistung und Begrenzung des Maschinendrehmoments, aufweist. So ergibt sich ein sicheres Arbeiten der erfindungsgemäß geregelten elektrischen Maschine, insbesondere einer permanent erregten Synchronmaschine.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hochlaufgeber eine Hochlaufgebernachführung aufweist. So ergibt sich ein besonders vorteilhaftes Verhalten der Regelung.

Es ist schließlich vorgesehen, dass das Ausgangssignal des Drehzahlreglers der Maschinenstromsollwert ist. So ergibt sich eine besonders einfache und für das Maschinenpersonal besonders leicht nachvollziehbare Ausbildung der Stromregelung.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen, ebenso wie aus den Unteransprüchen, weitere, auch erfindungswesentliche, Einzelheiten ersichtlich sind.

Es zeigen:
1 ein detailliertes Regelschema und
2 eine schematische Darstellung des Regelvorgangs.
In 1 bezeichnet 1 den Schiffspropeller mit der Antriebswelle 2, die sowohl eine im Schiff selbst angeordnete Welle als auch eine in einem elektrischen Ruderpropeller angeordnete Welle sein kann. 3 bezeichnet den Antriebsmotor, vorzugsweise eine permanent erregte Synchronmaschine. 4 bezeichnet einen Winkelschrittgeber zur genauen Drehzahlermittlung. 5 bezeichnet das elektrische Versorgungsnetz des Schiffes und 6 den Stromrichter, in dem der Maschinenstromistwert erzeugt wird.
7 bezeichnet den Drehzahlistwert, der vom Winkelschrittgeber abgegeben wird und der Drehzahlistwerterfassung 8 aufgegeben wird. 9 bezeichnet den Drehzahlsollwertgeber in Form eines Fahrhebels. 10 bezeichnet den Drehzahlsollwert vor dem Hochlaufgeber 11 und 12 den Drehzahlsollwert hinter dem Hochlaufgeber. 13 bezeichnet den Vergleichspunkt von Drehzahlsollwert und Drehzahlistwert, dem der Drehzahlistwert 14 eingegeben wird.
15 bezeichnet einen Drehzahlregler mit Begrenzung des Ausgangswertes und 16 den Maschinenstromsollwert. 17 ist der Begrenzungssollwert Maschinenleistung und 18 der Begrenzungssollwert des Drehmoments, dessen Größe schiffsspezifisch vorgegeben wird. 19 ist das erfindungsgemäße spezifische Drehmoment, d.h. der Drehmomentausgleichswert, der den beiden Dividierern 20, 21 für den Begrenzungssollwert Drehmoment/Begrenzungssollwert Maschinenstrom und Begrenzungssollwert Maschinenleistung/Begrenzungssollwert Maschinenstrom aufgegeben wird.
22 bezeichnet den Begrenzungssollwert Maschinenstrom ebenso wie 23 und 24, die einer Einrichtung 25 für die Minimumauswahl des Begrenzungssollwerts Maschinenstrom aufgegeben werden. 26 bezeichnet den Begrenzungssollwert Maschinenstrom an Drehzahlregler.
In 2, in der der Einfluss der einzelnen Maschinengrößen auf die Drehmomentregelung wiedergegeben ist, bedeutet 31 den Multiplizierer für die Maschinenleistung in den in üblicher Weise die Spannung, der Strom, der Kosinus Phi und der Wirkungsgrad der Maschine eingegeben werden. 32 ist ein Drehmomentdividierer, dem die Drehzahl aufgegeben wird und 33 ein Dividierer, der das spezifische Drehmoment ermittelt, während 34 eine Freigabeeinheit für das spezifische Drehmoment angibt. 35 ist ein Begrenzer des spezifischen Drehmoments und 36 gibt die Glättungsfunktion des spezifischen Drehmoments an. 19 ist das Ausgangssignal für das spezifische Drehmoment.
Die 1 und 2 und die in ihnen verwendeten Abkürzungen und Symbol entsprechen dem üblichen Darstellungsschema von elektrischen Reglern. Sie sind daher für den Fachmann ohne weiteres verständlich.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass der Vorteil dieser Erfindung ganz wesentlich darin liegt, dass mit einer einfachen und kostengünstigen Regelung über Softwarebausteine eine sehr teure Überdimensionierung der Antriebsanlage vermieden werden kann. Bei Schiffen z.B. wird die vertraglich vereinbarte Schiffsgeschwindigkeit bei einer ebenfalls vertraglich festgelegten Antriebsleistung gemessen. Es irritiert dabei, wenn sich während des Betriebs der Antriebsanlage die Betriebswerte der Maschinenleistung oder auch drehmomentabhängige Vorgänge der permanent erregten Synchronmaschine ändern. Es kommt nicht zu Leistungsschwankungen, die die vertraglich vereinbarten Größen als nicht erreicht erscheinen lassen.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung liegt darin, dass die maximale Maschinenspannung US sich etwas reduziert, wenn z.B. bei Schiffsantrieben die permanent erregte Synchronmaschine an einer Begrenzung der Maschinenwirkleistung fährt. Die Ausgangsleerlaufspannung von dem Stromrichtertransformator kann um den Faktor reduziert werden, in dem sich auch die maximale Maschinenspannung US reduziert. Um den gleichen Faktor reduziert sich auch die Bauleistung des Stromrichtertransformators und damit sinken auch seine Kosten. Um den gleichen Faktor reduziert sich auch die Scheinleistung, die der Umrichter aus dem Bordnetz holt. Bei Schiffsantrieben wirkt sich das auch bei den Generatoren für die Stromerzeugung der Umrichter kostensenkend aus, weil die Generatoren weniger Blindleistung liefern müssen. Insgesamt werden also nicht nur die Kosten der elektrischen Maschine selbst, sondern auch die Kosten für die Komponenten für die Energieversorgung der Antriebsmaschine gesenkt. Es ergibt sich also ein Bündel von Vorteilen gegenüber den bisherigen, nicht mit dem Drehmomentausgleichswert gefahrenen, permanent erregten elektrischen Synchronmaschinen.

Claims

Verfahren zur Leistungsregelung einer permanent erregten elektrischen Schiffsantriebsmaschine mit vorgebbarer Drehzahl, in der durch einen Maschinenstrom und einen durch Permanentmagnete erzeugten magnetischen Fluss ein Drehmoment erzeugt wird, das von der Stärke des magnetischen Flusses und der Größe des Maschinenstroms sowie einer Maschinenkonstante abhängt, wobei der Maschinenstrom und die Drehzahl der Maschine geregelt werden und wobei zur Berücksichtigung der gegebenen Temperaturabhängigkeit des von den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Flusses zur Verbesserung der Leistungsregelung ein spezifischer Drehmomentausgleichswert verwendet wird, wobei der spezifische Drehmomentausgleichswert aus dem Maschinenstrom-Soll-Wert, der elektrischen Leistung, dem Wirkungsgrad und der Drehzahl als Hauptgrößen fortlaufend durch Rechentechnik ermittelt wird und wobei über den Drehmomentausgleichswert ein innerer und ein äußerer Drehzahlregelkreis in einer Regeleinrichtung für die elektrische Maschine miteinander verknüpft werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinendrehmoment durch gemessene Größen, insbesondere einen Drehmoment-Ist-Wert oder den Maschinenfluss-Ist-Wert, geführt wird.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen inneren und einen äußeren Drehzahlregelkreis aus Softwarebausteinen aufweist, die über den einstellbaren Drehmomentausgleichswert miteinander verbunden sind.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der einstellbare Drehmomentausgleichswert nach vorgegebenen Maschinen- und Verwendungsparametern einstellbar ist, insbesondere entsprechend der gewünschten Wirkleistung.
Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen inneren Regelkreis mit einem Drehzahlregler mit den Regelgrößen Drehzahl-Soll-Wert vor Hochlaufgeber, Drehzahl-Soll-Wert nach Hochlaufgeber, Drehzahl-Ist-Wert und Maschinenstrom-Soll-Wert aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen äußeren Regelkreis mit den Regelgrößen Drehzahl-Ist-Wert, Begrenzung der Maschinenwirkleistung und Begrenzung des Maschinendrehmoments aufweist, wobei die Begrenzung der Maschinenwirkleistung und die Begrenzung des Maschinendrehmoments von extern gegebenen Größen oder von weiteren Regelgrößen, insbesondere dem Drehzahl-Ist-Wert, geführt werden.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochlaufgeber eine Hochlaufgebernachführung aufweist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Drehzahlreglers der Maschinenstrom-Soll-Wert ist.
Verwendung der Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8 zur Regelung eines elektrischen Ruderpropellermotors mit Permanenterregung.